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摘要 摘要 连铸技术是- 1 7 重要的冶金技术，其中，结晶器的液位控制技术因其对安 全生产和产品质量有至关重要的影响成为连铸技术的关键。 结晶器液位的波动不但会将钢水表面的保护渣等卷入钢水影响钢坯质量， 更为严重的是，剧烈的液位波动极有可能会导致漏钢溢钢等生产事故，事故一 旦发生必将对现场人员及生产设备造成不可挽回的损失，因此结晶器的液位控 制已越来越受到冶金企业的关注。 结晶器液位控制的常规方法为p i d 控制，在实际工程中取得了比较好的效 果，但由于结晶器对象模型具有时变性，投运时整定好的系统往往随时间推移 控制效果会变差。本文采用带遗忘因子的递推最小二乘的方法来辨识被控对象， 采用零极点配置的方法根据选择的目标系统的模型参数结合辨识结果实时校正 控制器参数，实现结晶器液位的自适应控制。 本文以自适应控制算法的研究为理论依据，针对某钢厂连铸系统，设计了 一套结晶器液位现场总线控制系统。该系统主要由液位检测仪、p l c 、上位机、 电动缸和现场操作箱组成，各部分通过p r o f i b u s _ d p 现场总线进行通信。 生产实践证明，该系统能较好地实现连铸生产全程中结晶器液位的控制， 保证了产品质量和生产安全。 关键词：结晶器；液位控制；自适应；现场总线 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s t i n gw a sa l li m p o r t a n tm e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y m o u l dl e v e l c o n t r o lw a st h ek e yt e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t sc r i t i c a li n f l u e n c eo np r o d u c t i o ns a f e t y a n dp r o d u c tq u a l i t y t h ef l u c t u a t i n go fm o u l dl e v e li st h em a i nr e a s o no ft h ed r e g s e n t a n g l e di ns t e e l l i q u i d w h a tw a gw o r s e ，t h e l e a ka n do v e r f l o wm i g h tb ec a u s e d i ft h a tr e a l l y h a p p e n e d ，t h ew o r k e r sw o u l db ei n j u r e da n dt h ee q u i p m e n t sw o u l db ed e s t r o y e d m e t a l l u r g i c a lc o r p o r a t i o nn o wp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nm o u l dl e v e lc o n t r o l t e c h n o l o g y p i dc o n t r o l l e rw a sb ew i d e l yu s e di nm o u l dl e v e lc o n t r 0 1 t h ee f f e c to fp i d c o n t r o l l e r ，h o w e v e r ，n o ta l w a y sm e e tt h er e q u i r e m e n t s i tw o u l db e c o m ew o r s ea n d w o r s e t h er e a s o nw a so b v i o u s ，t h a ti s ，t h e s y s t e r mw a st i m e - v a r y i n g i nt h i sp a p e r , r e c u r s i v el e a s ts q u a r e sm e t h o dw i t hf o r g e t t i n gf a c t o rw a su s e dt oi d e n t i f yt h es y s t e m z e r o - p o l ep l a c e m e n tm e t h o dw a su s e d t oc a l c u l a t e t h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt o t h em o d e lw h i c hw a sc h o o s e d 硼1 ec a l c u l a t i o nw a sb a s e do ns y s t e m i d e n t i f i c a t i o n t h ea d a p t i v em o u l dl e v e lc o n t r 0 1w a sa c t u a l i z e di nt h i sw a y a nm o u l dl e v e lf i l d b u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do na d a p t i v ec o n t r o la l g o r i t h mw a g d e s i g n e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mw a gc o m p o s e do fm e a s u r ei n s t r u m e n t , p l c ，p c ， e l e c t r i c c y l i n d e ra n do p e r a t i o nb o x e a c hp a r tc o m m u n i c a t e dw i t ho t h e r st h o u g h p r o f i b u s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ec o n t r o le f f e c tw a ss a t i s f a c t o r ya n dt h ep r o d u c tq u a l i t y a n dp r o d u c t i o ns a f e t yw e r eg u a r a n t e e d k e yw o r d s ：m o u l d ；l e v e lc o n t r o l ；a d a p t i v e ；f i l d b u s i i 目录 目录 第1 章引言1 1 1 连铸技术的发展1 1 2 连铸机结构介绍2 1 3 结晶器液位控制技术的重要性3 1 4 结晶器液位控制技术发展概况3 1 5 结晶器液位控制的主要技术难题4 1 6 本文研究内容5 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计6 2 1 结晶器液位检测方法6 2 2 结晶器液位控制执行机构8 2 3 结晶器液位控制算法9 2 4 结晶器液位控制系统整体设计。1 1 第3 章结晶器液位检测从站设计1 3 3 1p r o f i b u s 现场总线概述13 3 2p r o f i b u s d p 从站开发方案1 3 3 3 结晶器钢水液位检测智能从站设计方案。1 4 3 4s p c 3 功能简介1 5 3 5 智能从站接口硬件电路设计17 3 5 1m c u 与s p c 3 接口17 3 5 2s p c 3 与r s 4 8 5 接口19 3 5 3d p 通信接口模块与结晶器检测仪接口1 9 3 6 智能从站接口软件设计2 0 3 7g s d 文件编制2 2 第4 章结晶器液位自适应控制算法研究2 3 4 1 结晶器系统机理分析建模2 3 4 2 系统辨识建模2 5 i i i 目录 4 2 1 系统辨识的概念及步骤2 5 4 2 2 系统辨识方法2 6 4 3 结晶器液位自适应控制原理3 0 4 3 1p i d 控制原理3 0 4 3 2 基于闭环特征参数的零极点配置自校正控制算法3 1 4 3 3 系统辨识器设计及仿真3 4 4 3 4 控制器及其修正器设计及仿真3 7 第5 章基于p l c 的控制系统设计4 2 5 1 可编程控制器概述4 2 5 2p l c 组态编程软件s t e p7 简介。4 3 5 3p l c 硬件组态4 3 5 3 1 模块选型4 3 5 3 2i o 点分配4 4 5 4 网络组态。4 6 5 5p l c 软件设计4 6 5 5 1p l c 程序简介4 6 5 5 2 用户程序功能模块4 7 5 5 3 滤波功能块f b1 4 8 5 5 4 线性化功能块f b 2 5 0 5 5 5 系统辨识功能块f b 3 51 5 5 6 自适应控制器功能块f b 4 5 6 5 5 7 控制器参数计算功能f c 3 5 7 第6 章基于w i n c c 的监控界面设计6 0 6 1 上位机组态软件介绍。6 0 6 2 连铸机结晶器监控界面构成6 0 6 3 监控系统各功能画面的组态。6 2 6 3 1系统登陆画面6 2 6 3 2 实时监控画面6 3 6 3 3 历史趋势画面6 4 t v 目录 6 3 4 报警信息画面6 5 6 3 5 报表打印画面6 6 6 3 6 参数设置画面7 1 6 3 7 传感器标定画面7 2 6 3 8 用户管理画面7 3 第7 章结论与展望7 5 7 1 结论7 5 7 2 进一步工作的方向7 5 致谢。7 7 参考文献7 8 附录ag s d 文件编写8 l 附录bm a t l a b 仿真程序8 3 攻读学位期间的研究成果：9 2 v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 连铸技术的发展 连铸是将液态金属连续地浇铸成某一断面形状的铸坯的过程。连铸过程中， 液态金属需要经过一系列起到冷却和支撑作用的装置由液态逐渐变为固态。连 铸过程是一个衔接炼钢和连轧的极为重要的环节，它不但关系到炼钢生产能否 顺利进行，同时对最终的质量和产量也有重大影响。 1 8 5 6 年h e n r yb e s s e m e r i l l 最早提出连铸设想，1 9 3 0 年连铸技术开始用于铜 铝等有色金属的冶炼生产中。由于钢的熔点高导热性差，钢的连铸更加困难。 1 9 3 3 年s j u n g h a n s 2 1 1 3 1 的结晶器震动技术及1 9 4 3 年连续铸钢实验装置的开发成 功使得钢铁的连铸生产成为可能。连铸与传统的模铸相比，其优势主要在于工 艺简单，生产率高，产品质量好，收益率高，能耗低。 钢铁连铸技术真正得以应用开始于上世纪6 0 年代，我国是较早开展连铸技 术研究的国家之一，1 9 5 7 年在上海建成第一台高架立式方坯连铸实验机，次年 在重钢三厂建成我国第一台用于工业生产的立式连铸机，1 9 6 4 年又在该厂建成 我国第一台也是世界最早的r 6 m 弧形连铸机。另外，我国在电磁搅拌技术、二 次冷却控制技术等方面的研究也取得了较大进展。 近年来，计算机控制系统已经进入到连铸控制领域，实现对连铸过程的监 控。计算机控制系统的引进，使得连铸过程实现了自动化，连铸生产的安全性 得以提高，产品的质量得到改善，产量得到增加。 连铸过程是比较复杂的，连铸过程控制的复杂性主要体现在【1 7 】： 1 ) 存在不可测的扰动和未建模动态； 2 ) 具有明显的时变性和非线性； 3 ) 过程本身和执行机构常有较大的滞后； 4 ) 用于过程测量的传感器常常受到高频噪声的影响； 5 ) 连铸过程各环节之间相互耦合作用明显； 6 ) 连铸与连轧、炼钢之间需要协调控制和调度难度大。 鉴于上述复杂性，国内外些控制专家和学者开始将智能控制方法应用到 连铸生产过程各环节的控制之中，较好地解决了各环节之间的耦合控制及整个 第1 章引言 过程的优化和故障诊断与处理等问题。 1 2 连铸机结构介绍 连铸机有多种分类方法，按机型，可以分为立式连铸机、立弯式连铸机、 弧型连铸机以及水平型连铸机等；按铸坯形状，可分为板坯连铸机、大方坯连 铸机和小方坯连铸机等。 弧形连铸机结构如图1 1 所示，弧型连铸机的主要设备及作用简述如- f t 4 ： 1 0儿 感蕊叁q，| 专甏熟么m 一 1 盛钢桶2 塞棒3 中间包4 一次冷却装置5 结晶器6 振动器 7 二次冷却装置8 辊列9 拉坯矫直机l o 切割装置 11 铸坯传送装置 图1 1 弧型连铸机结构示意图 1 ) 钢液供应设备：包括盛钢桶和转台。盛钢桶安置于转台上，炼钢炉冶炼 出的钢水经过吹氢调温或真空脱气处理后存储于盛钢桶内。连铸进行时转台将 盛钢桶移动到中间罐上方。 2 ) 中间罐：首先接受钢水罐中的钢液，然后再对准结晶器中心进行浇注， 其作用主要是减压、稳流、除渣、贮钢和分流。 3 ) 结晶器及其振动装置：结晶器是一种水冷的特殊钢锭模。与结晶器内壁 接触的钢水要首先冷却凝固成硬壳，形成所需断面的铸坯，之后受到拉坯矫直 装置的驱动被连续拉出进入二次冷却区继续冷却。结晶器振动装置驱动结晶器 做简谐运动，从而防止铸坯凝固时与铜板粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故。 2 第1 章引言 4 ) 二次冷却系统：二次冷却区包括喷水冷却系统和一系列夹辊。喷水系统 喷出冷却水促使从结晶器出来的有液芯的铸坯最终凝固。夹辊弧形排列，主要 起到支撑、导向的作用，防止出现鼓肚现象。 5 ) 电磁搅拌器：电磁搅拌器使钢水运动，减少钢水气泡和夹杂物，降低过 热度，打散树枝晶体，达到改善铸坯表面质量和内部结构的作用。 6 ) 拉坯矫直机：安置于二次冷却区导向装置的尾部，承担拉坯、矫直和送 引锭杆的作用。 7 ) 切坯装置：按照预定的钢坯规格切断钢坯。 8 ) 引锭装置：仅在开浇时使用。开浇前，引锭头堵住结晶器的下口，开浇 后，钢水在结晶器中与引锭头凝结在一起，之后拉矫机启动，通过拉辊的牵引 铸坯向下运行，当引锭杆拉出拉矫机后，完成引锭的工作，引锭杆脱去，进入 正常连铸状态。 1 3 结晶器液位控制技术的重要性 连铸生产中，对结晶器液位进行控制最基本要求是稳定生产操作，避免漏 钢和溢钢事故的发生。在安全生产的前提下，要尽可能的保持液位的稳定，提 高铸坯的质量。液位稳定且铸坯质量高是衡量一个企业连铸控制水平的一个非 常重要标志。 结晶器液位控制的重要意义主要在于以下几点： 1 ) 稳定生产操作，避免漏钢、溢钢； 2 ) 防止液面夹杂物卷入，避免铸坯夹渣缺陷； 3 ) 保证在结晶器内部产生均匀的凝固壳； 4 ) 降低操作人员的劳动强度。 1 4 结晶器液位控制技术发展概况 连铸技术的发展过程中，结晶器液位控制大致经历了两个阶段： 第一个阶段：通过调节拉速控制结晶器液位。 方法：固定中间包流入结晶器的钢水流量，调节拉矫机拉坯速度控制系统 的设定值以改变结晶器钢水流出量，使结晶器钢水液位保持稳定。 优点：对液位的调节是线性的。 3 第1 章引言 缺点：拉矫机拉坯速度的变化会引起连铸控制系统一系列环节的修正。拉 坯速度不应该成为控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。 发展方向：已逐渐被淘汰。 第二个阶段：通过调节结晶器钢水流入量控制结晶器液位。 方法：调节中包滑动水口或者塞棒的开度以调整流入结晶器的钢水的流量。 优点：可保持拉矫机的拉坯速度恒定，液位调节过程比较稳定，为整个连 铸机控制系统的稳定运行提供了条件。 缺点：液位控制是非线性的。 发展方向：已成为结晶器液位控制的主流。 1 5 结晶器液位控制的主要技术难题 结晶器液位控制的难点在于被控对象和控制执行机构的不规则时变，同时 连铸的工艺条件也会引入一些干扰因素，参照相关文献【7 】【8 9 】 1 0 ，可以总结 出以下几种结晶器液位控制所面临的主要技术难题及成因。 1 ) 拉矫机拉坯速度不均匀 成因：连铸机拉坯设备的性能缺陷或运行故障。 2 ) 中间罐出口通道内钢水流动不规则 成因：出口通道导流面积的变化。该变化主要由浇铸沉积物和通道侵蚀两 个因素共同造成。 3 ) 结晶器内钢水的紊流和波动 成因：钢水流动导致结晶器内钢水的紊流，继而导致钢水在自由表面上的 波动，钢水波动可以从结晶器内壁上反射回来形成驻波。 4 ) 结晶器内熔池的振动 成因：钢坯被从结晶器内拉出时，其内部液芯比例较大，钢坯凝固壳较薄， 钢坯经过夹辊之间时产生周期性的鼓肚现象，之后被下对夹辊压回，这便引起钢 坯内液芯的振动，从而造成结晶器内熔池的振动。 5 ) 结晶器液位周期振荡 成因：结晶器的振荡运动。 6 ) 中间罐出口通道流量特性时变 成因：塞棒头部受到钢水的侵蚀。 4 第1 章引言 一一 1 6 本文研究内容 1 ) 结晶器液位控制系统集成，重点为检测从站设计： 2 ) 自适应控制算法研究及仿真； 3 ) 上下位机程序设计。 5 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 2 1 结晶器液位检测方法 结晶器的液位检测是液位控制的重点，只有精确检测出真实的液位状况才 能根据控制算法计算合适的控制量，然而，这也是连铸自动化的难点之一。连 铸现场环境非常恶劣，主要表现在高温、高湿、高粉尘以及高电磁干扰。受限 于恶劣的现场环境和连铸自身特点，结晶器液位的精确检测比较困难。 本文简要介绍几种常用的液位检测方法的原理和特点【8 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】： 1 ) 放射型 原理：基于辐射的穿透、衰减、吸收理论，根据接收到的射线数量的多少 来测量液面高度。 特点：信号稳定，受干扰少，使用维护方便，但精度不高且辐射对人体有 害。 2 ) 红外型 原理：红外摄像机感知钢水液面热信号的强度并将处理后的电信号送给处 理器，处理器根据热信号的强度来计算液面的高度。 特点：抗干扰能力强，安装方便，图像直观，但仅适合于不加保护渣的铸 机。 3 ) 涡流型 原理：高频电流入探头线圈，线圈产生一个高频电磁场。钢水液位变化时， 由于高频电磁场的作用，在钢水表面感生出电涡流。该电流产生一个交变磁场， 方向与线圈磁场相反，这二个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗。在实际检 测过程中，传感器线圈材料及结构、被检测钢水的种类以及现场温度不变，阻 抗的变化只与钢水液面高度成单值函数关系。 特点：灵敏度高，测程长，信号线性度好，安装方便环保，特别适合于板 坯。 6 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 表2 1常用的结晶器钢水液位检测方法的主要特性 内容放射法电磁法电视法红外法涡流法 测量范围( r a m ) 5 0 2 0 02 0 “6 0 0 按安装按安装 0 1 5 0 精度( m m ) 330 6( 3 - 5 )- t - ( 0 5 1 ) 响应时间( s ) l o 3 o 0 4 0 3 0 0 5 安全性辐射污染高高高高 液位测量渣面钢水面渣面半渣面钢水面 可靠性中维护中维护易维护易维护易维护 维护方式停产停产可在线可在线可在线 应用范围板、小方坯 大方坯 板、大方坯均可均可 安装范围结晶器内结晶器上结晶器外结晶器外结晶器外 安装难易 较难较易易易易 操作要求简单较难简单简单简单 投资 较低高 由 中 中 运行成本高高较低较低 由 投资回收 难 由由 较易 由 本控制系统采用九鼎冶金电气设备有限公司生产的电涡流检测仪，该检测 仪专门针对结晶器钢水液位测量而研制，具有测量范围宽，抗干扰性强的特点。 该液位检测仪主要由液位测量元件，温度测量元件，信号处理器，测杆和 传感器降温结构组成。液位测量元件采用涡流传感器。温度测量元件为铂电阻。 液位信号处理器由涡流信号激励电路、感生信号采样电路、检波、滤波、a d 变 换电路、数字信号处理系统、i o 信号调理电路等组成。测杆为探头提供外部支 撑。降温结构为涡流传感器提供压缩空气为传感器降温保证其工作于合适温度。 结晶器液位检测仪可以连续测量钢水液位高度和探头的温度，将液位和温 度转化为4 2 0 m a 标准信号。 液位检测仪主要技术指标： 液位测量范围0 - 1 5 0 r a m 最低检测液位 2 0 0 r a m 工作测量范围4 0 1 2 0 m m 输出4 - , 2 0 m a 7 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 分辨率 响应时间 传感器工作温度 前放工作温度 0 5 m m o 1 s 1 0 “0 一2 0 6 0 2 2 结晶器液位控制执行机构 控制系统的执行机构根据控制器输出的控制量直接作用于被控对象。对于 结晶器控制系统，执行机构与检测系统一样处于恶劣的环境下。执行机构的安 全稳定运行成为实现液位控制的重要条件。 总体来说，结晶器液位控制对执行机构的要求是： 1 ) 适应恶劣的连铸现场环境； 2 ) 安装、更换和维护方便； 3 ) 死区小，滞后时间小： 4 ) 线性度好。 目前应用比较广的塞棒控制执行机构主要有四类：液压执行机构、交流无 刷伺服电机、数字电动缸和交流无刷伺服电动缸【l3 1 。 液压执行机构的优点是线性度好，速度快，缺点是液压系统设备如液压油 箱和油泵必须放置在地面上，液压系统与液压缸通过软管连接，这使得中间罐 的移动不便。国外许多系统集成商都采用液压执行机构作为液位控制系统执行 机构。 近年来，随着交流无刷伺服电机执行机构逐步发展，国内的冶金设备制造 企业也开始采用这种执行机构。但是，交流无刷伺服电机需要有减速机构，这 就使得执行机构的体积和重量都比较大，同时由于冶金现场的高粉尘环境，减 速机构容易堵住，从而导致交流无刷伺服电机的损坏。 高精度数字缸是新型的电动执行机构，它最突出的特点是采用数字脉冲控 制的方式，精度高，不需外置位置测量装置。采用数字缸作为执行机构的结晶 器液位控制系统结构得到了简化，控制精度有所提高。 交流无刷伺服电动缸比较典型的是由法国s e r t 公司开发研制的新型的电 动缸。将交流伺服技术和气动缸技术用于连铸，目前国内己有很多钢厂采用这 种方式，它机构简单，安装维护方便，精度高。 8 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 本结晶器液位控制的执行机构主要由伺服电动缸、电动缸驱动器、电动缸 支架和塞棒及其开闭器等组成。其中，伺服电动缸选用s e r t 公司的产品，型号 为d e m 9 b ，电动缸驱动器型号为：a c v 9 b r ，它是专为d e m 9 b 的驱动而设计的。 a c v 9 b - r 的输入信号为0 - 1 0 v 标准电压信号，随着输入电压升高，d e m 9 b 电动缸伸缩杆伸长。 d e m 9 b 电动缸主要技术指标： 电机类型交流无刷伺服电机 最高速度 1 0 0 m m s 响应时间 2 0 m s 定位精度 0 1 m m 最大操作负荷 3 2 0 k g 行程1 2 0 r a m 工作温度 0 6 0 2 3 结晶器液位控制算法 结晶器液位控制最常规的控制策略为p i d 控制，但是p i d 算法只有在特殊 的工艺条件下才能实现对液位的有效控制。近年来，对结晶器液位控制策略的 研究一直是连铸技术的一个热点分支，除了p i d 控制外，已经应用于结晶器液 位控制的各种控制策略简介如下【7 】【8 】： 1 ) 基于p i d 的改进策略 a ) 高频抖动补偿 方法：在控制信号中加入高频抖动信号； 目的：消除塞棒磨损及死区特性； 弊端：系统稳定性变差，液位波动频率提高，夹渣缺陷易发生。 b ) 线性串联补偿 方法：针对液压执行机构，在控制信号中加入高频带线性补偿器； 目的：消除液压系统滞后，减少控制动作； 弊端：液位波动频率降低，但幅值未改善。 c ) 非线性串联补偿 方法：在线性串联基础上引入非线性环节； o 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 量； 目的：抵消流量特性与水口开度之间的非线性，系统前向通路修正为线性； 弊端：设计困难，无法克服拉速扰动。 d ) 带死区变增益非线性控制 方法：根据偏差大小，分段控制 甜。，= 兰舞 ip ( f ) l e l e l ie ( t ) i e 2 e 2 纠e ( t ) i _ e 3 目的：减少执行机构的动作幅度和频度： 弊端：参数的确定需反复试凑。 2 ) 基于零极点配置的液位控制策略 a ) 相角超前一滞后补偿控制 方法：加入相角超前一滞后补偿器 g 址( s ) = k c ( s + 1 互) o + l t 2 ) ( s + p t 1 ) ( s + l l p t ；) 目的：满足系统静态速度偏差指标且液位开环系统相角和幅值裕量正常； 弊端：参数的确定需要反复试凑。 b ) 扰动补偿控制 方法：加入滤波器 g ，( s ) = w i 2 w ；i ( s 2 + 2 f l w l s + w ；) 0 2 + 2 f 2 w 2 s + 2 ) 目的：克服主要频率扰动； 弊端：稳定性变差。 3 ) 智能化液位控制策略 a ) 预测液位控制 方法：采用扩展的预测自适应控制策略对液位进行控制； 目的：提高控制精度； b ) 模糊液位控制 方法：引入模糊专家系统，用模糊隶属度函数经复杂推理和计算得出控制 目的：引入专家经验，模拟专家操作控制液位； 弊端：隶属度函数的建立较复杂，同一隶属度函数不可适用于所有系统。 1 0 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 c ) 玑液位控制 方法：根据连铸机的结构及工艺参数选择一个可以覆盖扰动所在频带的频 率加权函数； 目的：在有参数变化和模型不确定性的情况下消除了扰动； 弊端：对不同连铸机加权函数的有差异难确定。 d ) 自适应液位控制 方法：在模型中引入滤波器和噪声模型； 目的：增强系统的鲁棒性和参数跟踪能力； 弊端：滤波器和噪声模型建立困难，无通用性。 2 4 结晶器液位控制系统整体设计 结晶器液位控制系统拟采用模块化结构，由计算机监控系统、液位检测系 统、浇铸操作箱和塞棒控制系统等组成，单流液位控制系统的结构如图2 1 所示。 p l c 作为i 类主站，上位机作为i i 类主站，液位检测仪、液位显示仪、现场监 控箱和塞棒控制系统作为从站，主从站通过p r o f i b u s d p 现场总线进行高速通 讯。 p r o f i b u s d p 图2 1单流液位控制系统结构示意图 控制系统各部分功能描述如下： 1 ) 液位检测系统 1 l 第2 章结晶器液位控制系统分析及整体设计 该系统可以连续检测结晶器钢水液位高度和探头的温度，将液位信号和温 度信号处理后通过总线上传至p l c 。 2 ) 塞棒控制系统 该系统可以根据p l c 发出的控制指令控制伺服电机带动塞棒运动，从而达 到改变中包水口流量继而控制结晶器钢水液位的目的。 3 ) 现场监控箱 用于现场实时监测结晶器钢水液位并为塞棒控制系统提供控制信号，同时 具有操作模式选择和异常情况报警功能。监控面板功能部分包括：开浇按钮( 带 锁绿色) ，设定液位光柱条显示，检测液位光柱条显示，液位上、下限红灯报警， 溢钢、漏钢红灯报警，涡流传感器温度过热红灯报警，自动允许绿色指示灯， 工作模式选择开关，水口关闭按钮，点动升点动降按钮，设定值升降按钮。 4 ) 计算机监控系统 由p l c 和上位机两部分组成。p l c 接受由液位检测系统输入的液位值和温 度值，运行内部程序，输出处理结果。处理结果包括：塞棒控制量，前端显示 液位实际值，前端显示液位设定值，状态指示开关量。上位机调试阶段完成整个 控制系统的组态，正常工作阶段上位机在屏幕上显示出实时液位值及设定值， 并绘制出液位波动曲线；分析整个系统工作状况，实时记录并保存系统工作过 程，当出现异常工况时，实时给出报警信号，提示工作人员引起注意，操作员 可实时修改系统的工作参数，调整系统的工作状态。 1 2 第3 章结晶器液位检测从站设计 第3 章结晶器液位检测从站设计 3 1p r o f i b u s 现场总线概述 p r o f i b u s 是一种国际化的、不依赖于设备制造商的开放式现场总线标准， 是唯一全集成h 1 ( 过程) 和h 2 ( 工厂自动化) 的现场总线解决方案，被广泛应 用于制造业、流程工业、楼宇、交通和电力等自动化领域。根据应用特点 p r o f i b u s 可分为d p 、p a 和f m s 三个兼容版本【6 】。 p r o f i b u s - d p 是专为自动控制系统和设备级分散i o 之间的通讯设计的。 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接1 2 6 个 站点( 主站或从站) 。系统配置的描述包括：站数、站地址和输入输出地址、输 入输出数据格式、诊断信息格式以及所使用的总线参数。 每个p r o f i b u s d p 系统可包括以下3 种不同类型设备： 1 ) i 类p r o f i b u s - d p 主站( d p m l ) ：d p m l 是中央控制器，它在规定的 信息周期内与分散的站点交换信息。 2 ) i i 类p r o f i b u s - d p 主站( d p m 2 ) ：d p m 2 是编程器、组态设备或操作 面板，组态p r o f i b u s - d p 系统时使用，完成各站点的数据读写、系统配置、故 障诊断等系统操作。 3 ) p r o f i b u s - d p 从站：p r o f i b u s - d p 从站是进行输入和输出信息采集和 发送的外围设备。输入和输出信息量的大小取决于设备类型。目前允许的输入 和输出信息，最多不超过2 4 6 字节。 3 2p r o f i b u s d p 从站开发方案 p r o f i b u s d p 从站开发有两种方式：直接方式和间接方式。直接方式是指 直接使用西门子i m l 8 3 1 或i m l 8 4 接口板开发p r o f i b u s d p 从站，间接方式 是指将自制的p r o f i b u s - d p 接口板与设备正确连接并组态从而开发出 p r o f i b u s d p 从站。 采用间接方式开发p r o f i b u s d p 从站( 接口板) 有两种方案： 1 、m c u + 软件方案 m c u 软件实现p r o f i b u s d p 的数据链路层协议和用户程序，u a r t 实现 13 第3 章结晶器液位检测从站设计 物理层通信。采用该方案的优点是开发成本低，缺点是需要开发人员透彻了解 p r o f i b u s 技术细节，因此，采用该方案开发的周期长，波特率不能做到很高， 一般是1 5 m b s 以下。 2 、m c u + p r o f i b u s 通信a s i c 方案 p r o f i b u s 通信a s i c 实现p r o f i b u s d p 协议，m c u 处理用户程序。通 信a s i c 的使用可加速通信协议的执行，而且可以减少微处理器中的软件程序代 码。采用该方案，开发者只需了解p r o f i b u s 协议相关内容及a s i c 芯片的技 术内容，开发周期较第一种方案明显减少，可做到高波特率。 3 3 结晶器钢水液位检测智能从站设计方案 为实现液位控制系统与整套连铸控制系统的信息集成，结晶器液位控制系 统采用p r o f i b u s d p 网络形式。p l c 与结晶器液位检测仪采用主从通信方式。 p l c 作为p r o f i b u s o d p 主站，液位检测仪作为网络测控节点，是p r o f i b u s - d p 从站。结晶器液位控制系统可集成组态至连铸机现场总线控制系统。 结晶器液位检测仪提供4 2 0 m a 的标准信号，为将液位检测仪接入 p r o f i b u s d p 网络，须针对结晶器液位检测仪设计一套p r o f i b u s d p 总线通 信接口模块。 根据上述p r o f i b u s d p 从站开发方案，考虑结晶器检测系统有大量实时检 测及控制数据需与p l c 主站进行通信，且须具备从站组态、设置地址、故障诊 断等一系列智能仪器功能，决定采用m c u + p r o f i b u s 通信a s i c 方案研发一款 针对结晶器液位的智能d p 从站接口模块。开发流程如图3 1 所示： 确定从站类型 选择协议芯片 。 从站硬件开发 。 从站软件开发 创建g s d 文件 图3 1d p 从站开发流程图 1 4 第3 章结晶器液位检测从站设计 p r o f i b u sa s i c 芯片主要产品如表3 1 所示，其中开发智能从站时s p c 3 最为常用，本通信接口选择s p c 3 作为通信芯片。 表3 1p r o f i b u sa s i c 厂商芯片类型特点 f m s d p p a 西门子 s i m l调制解调器 调制解调器芯片，用于i e c11 5 8 2 传输技术 p a 可依赖微处理器的i o 芯片，最大传输速率 西门子 s p c 3 从站 d p 1 2 m b s ，第二层和d p 实现 可依赖微处理器的i o 芯片，最大传输速率f m s 、d p 、 西门子 s p c 4 从站 1 2 m b s ，第二层和d p 实现 p a 西门子 s p 1 2 从站单芯片，d p 全实现，6 4 i o 位直接与芯片相连 d p 可依赖微处理器的i o 芯片，最大传输速率f m s 、d p 、 西门子 a s p c 2 从站 1 2 m b s ，第二层和d p 实现 p a 西门子 a l s p n 也 从站单芯片，d p 全实现，3 2 i o 位直接与芯片相连 d p 带p r o f i b u s 核心功能的1 6 位微控制器，最大传 摩托罗拉 6 8 3 0 2 主站从站f m s 、d p 输速率5 0 0 k b s ，第二层功部分实现 带p r o f i b u s 核心功能的1 6 位微控制器，最大传 摩托罗拉 6 8 3 6 0 主站从站 f m s 、d p 输速率5 0 0 k b s ，第二层功部分实现 单芯片或可依赖微处理器的i o 芯片，最大传输f m s 、d p 、 d e l t a - ti 主站从站 速率1 5 m b s ，可加载协议 p a 可依赖微处理器的i o 芯片，最大传输速率 l a m p b m 主站f m s 、d p 3 m b s ，第二层和d p 实现 可依赖微处理器的i o 芯片，最大传输速率 l a mp b s 从站 f m s 、d p 3 m b s ，第二层和d p 实现 3 4s p c 3 功能简介 一 s p c 3 是s i m e n s 公司生产的智能通信芯片，包含有完整的p r o f i b u s - d p 协议，能自动检测9 6 1 2 m b p s 波特率，集成有1 5k b 的双1 2 1r a m 、方式寄存 器、状态寄存器、中断寄存器及各种缓冲寄存器指针和缓冲区等，有8 根数据 线和1 1 根地址线，低8 位地址线与数据线复用，可以和8 0 c 3 2 、8 0 c 1 6 6 、8 0 c 1 6 5 、 h c l 、h c l 6 、h c l 9 6 等系列芯片兼容，内部集成的看门狗起保护、监视定时器 作用。s p c 3 本身具有地址锁存功能，不需要另加锁存器。内部结构示意图如图 3 2 所示： 1 5 第3 章结晶器液位检测从站设计 控制总线l i 数据总线1r 地址总线 总线接口单元 看门狗 微处理器hr a m 控制器 s p c 3 内部 i 础 ( 1 5 k b ) 空闲定时器ll 波特率发生器 t x d 儿1r r x dc l k o u t 2 4 儿1r c l k i n 图3 2s p c 3 内部结构示意图 s p c 3 只集成了传输技术的部分功能，而没有集成模拟功能( r s 4 8 5 驱动 器) 、f d l ( 现场总线数据链路) 传输协议。它支持接口功能、f m a 功能和整个 d p 从站协议( 用户接口让用户很容易访问第二层) 。第二层的其余功能( 软件 功能和管理) 需要通过软件实现。 s p c 3 内部集成了1 5 k b 的双口蝴作为s p c 3 与软件程序的接口。整个 r a m 被划分为1 9 2 段，每段8 个字节。用户寻址由内部m s ( m i c r o s e q u e n c e r ) 通过基址指针( b a s e - p o i n t e r ) 来实现，基址指针可位于存储器的任何段。所以， 所有缓存都位于段首【2 2 1 。 如果s p c 3 工作在d p 方式下，s p c 3 将完成所有的d p s a p 的设置，在数 据缓冲区生成各种报文( 如参数数据和配置数据) ，s p c 3 为数据通信提供3 个 可变的缓存器，2 个输入和1 个输出。通信时可以使用可变的缓存区，因此不会 出现资源冲突问题。s p c 3 为最佳诊断提供了两个诊断缓存器，用户可以存入刷 新的诊断数据。在这个过程中，一个诊断缓存总是分配给s p c 3 t z 2 。 总线接口对各种m p u 是一个参数化的8 位同步异步接口，用户可以通过 1 1 位地址总线直接访问s p c 3 内部的1 5 kr a m 或参数锁存器。 当处理器上电后，程序参数( 站地址、控制字等) 必须传送到参数寄存器 和方式寄存器。通过状态寄存器，可以随时浏览m a c 的各种状态。 1 6 第3 章结晶器液位检测从站设计 3 5 智能从站接口硬件电路设计 p r o f i b u s - d p 智能从站接口主要由s i e m e n s 公司生产的p r o f i b u s 通信 专用协议芯片s p c 3 ，s t c 8 9 c 5 2 微处理器，用于消除外界干扰的光耦6 n 1 3 7 ， 用于连接p r o f i b u s - d p 总线的r s 4 8 5 接口，用于驱动r s 4 8 5 总线的驱动芯片 d $ 7 5 1 7 6 b ，用于芯片供电的电源模块，用于手动设置从站地址的拨码开关，用 于在线下载程序的i s p 下载口，用于a d 数据采集的芯片m a x l 9 7 ，用于存储过 程数据的3 2 kr a m 及监控( w d t ) 芯片m a x 7 0 6 p 组成。智能从站接口硬件电 路整体结构如图3 3 所示。 液位检测仪 刮 a 他 b 地址数据 j 、 光耦i 、叫 i 拨码开关m c u s p c 3 r s 4 8 5 驱动 及